Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
1 Diferenciación Definición. (Derivadas direccionales) Sea RR �� nDf : , D abierto, Dx �0 y sea û una dirección en nR tal que 1ˆ �u . Se define la derivada direccional de f en 0x y en la dirección û , se denota � �0ˆ x u f � � , mediante � �0ˆ x u f � � = � � � � t xfutxf t 00 0 ˆlim � si el límite existe 2 Ejemplos Calcular � �0,0 û f � � , donde � ��� sin,cosˆ �u , [2,0[ �� � y f esta definida por: 1. � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , 22 2 yx yx yx xy yxf 2. � � � � � � � � 0,0 0, , 2 2 2 2 yx yx yx y yxf 3 Nota: � �0ˆ xu f � � se interpreta como la razón de cambio de � �xf en el punto 0x y en la dirección de û Ejercicio. Calcular � �0,0 û f � � si û es la dirección del vector que va desde � �0,0 a � �2,1 y � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , 22 yx yx yx x yxf Además, calcular � �0,0 û f � � cuando � �0,1ˆ �u y cuando � �1,0ˆ �u 4 Definición. (Derivada Parcial) Sea RR �� nDf : , D abierto, D�0x y sean neee ˆ,,ˆ,ˆ 21 � vectores unitarios de la base canónica para nR . Se defina la derivada parcial de f en 0x respecto de la i-esima coordenada ix , lo que denotamos con � �0xx f i� � , mediante � �0xx f i� � = � � � � h xfehxf i h 00 0 ˆlim � si el límite existe. Obs. Notar que � �0xx f i� � = � �0ˆ xe f i� � . Así, � �0xx f i� � representa la razón de cambio de f en 0x según la dirección del eje iX 5 Ejemplos. 1) Calcular � �0,0 x f � � y � �0,0 y f � � , si existen, cuando: � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , 22 yx yx yx xy yxf 2) RR �� nDf : , tal que � � kxxf � , k fijo. Pruebe que � �0xx f i� � = � � � � � ki ki ,0 ,1 6 Obs. a) Desde (1) se observa que las derivadas parciales � �0xx f i� � pueden existir y sin embargo f no ser continua en 0x . b) Si RR �� 2: Df , D abierto y � � Dyx �0,0 , entonces: i. � �00 , yxx f � � = � � � � h yxfyhxf h 0000 0 ,,lim � ii. � �00 , yxy f � � = � � � � h yxfhyxf h 0000 0 ,,lim � c) (Notación) � � � not x xf i 0 � �0xx f i� � 7 Ejercicio. Sea f definida por � � �yxf , � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , 22 2 yx yx yx xxy yxf i. Estudiar la continuidad de f en 2R . ii. Estudiar la existencia de � �0,0xf , � �0,0yf , � �0,1xf , � �0,1yf Nota. Si f admite derivada parcial con respecto ix en un punto 0X , entonces para calcular � �0Xx f i� � se puede considerar f como función solo de la variable ix , mientras que las restantes variables se consideran parámetros. 8 Propiedades de las Derivadas Parciales. Sean RR �� nDgf :, , si ix f � � y ix g � � existen en un punto 0X de D, se tiene: a) )()()( )( 000 Xx gX x fX x gf iii � � � � � � � b) )()()()())(( 0000 XgXx fX x gPfXgf x iii � � � � � � � c) )()())(( 0010 Xx fXkfXf x i kk i � � � � � , N�k fijo d) 2 0 000 0 ))(( )()()()( ))(( Xg X x gXfX x fPg X g f x ii i � � � � � � � . 9 Consecuencia: a) Si P en una función polinómica definida en nR , entonces P admite derivada parcial con respecto a cada ix , },,2,1{ ni �� y en cada �0x nR . b) Si Q en una función racional definida en nD R� , entonces Q admite derivada parcial con respecto a cada ix , },,2,1{ ni �� y en cada �0x D. 10 Ejemplo. Calcular � �00 , yxx f � � , � �00 , yxx f � � cada una de las siguientes derivadas parciales: a) � � � � � �4,1,, 0,02 �� yxyxyxf b) � � � � � �2,1, 2 , 0,02 22 � � yx yx yyxyxf 11 Ejemplo. Sea � � yyxyxf � 2, , � �2,1�P . Calcular � �P x f � � y � �P y f � � 12 Función derivada parcial de primer orden Sea RR �� nDf : , D abierto, y supongamos que f admite derivada con respecto a la k-esima coordenada kx en cada punto 0X de H, DH � . Se define la función derivada parcial primera (o derivada parcial de primer orden) como la función R�Hf kx : , � �00 Xx fX k� � � 13 Ejemplo: Calcular � �yx x f , � � y � �yx y f , � � donde a) � � ,, 2 2 yx xyxyxf � 02 � yx b) f definida por � � ,1, 2 yxyxf � 01 2 � yx 14 Interpretación Geométrica de las Derivadas Parciales. � Si ),(,: 0002 yxPDf ��� RR , entonces )( 0Px f � � es la pendiente de la recta tangente a la curva ),( 0yxfx � en el punto 0xx � . � Análogamente para )( 0Py f � � . 15 Idea gráfica 16 Derivadas Parciales de Orden Superior. Sea RR �� nDf : una función tal que )( i x x f � � existe para cada Dx� . Si ix f � � admite derivada parcial con respecto a jx en un punto P de H se denota con )( 2 P xx f ij�� � y se llama Derivada Parcial Segunda de f con respecto a las variables ji xx , en el punto P . Es decir, ))(( P x f x ij � � � � = )( 2 P xx f ij�� � 17 Notas: a) En forma análoga se definen las derivadas parciales de orden superior. b) � �P xx f ji�� � 2 = � � � � h PfehPf jj xix h � ˆ lim 0 c) Notaciones: i. � �P xx f ji�� � 2 = � �Pf ij xx ii. � �P xx f ii�� � 2 = � �P x f i 2 2 � � = � �Pf ii xx iii. � �P xx f ij 2 3 �� � = � �Pf jii xxx 18 Ejemplo. Sea � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , 22 2 yx yx yx xy yxf Calcular, donde existan, � �yxf x , , � �yxf y , , � �yxf xy , , � �yxf xx , , � �yxf yy , 19 Ejercicio Sea � � �yxf , � � � � � � � � 0,0 0,2 , 2 yx yxx yx x yxf Calcular � �yxf x , , � �yxf y , , � �yxf xy , , � �yxf xx , , � �yxf yy , en cada � �yx, de 2R donde existan. 20 Funciones de Clase C1, C2, C3,..., �C . Definicion: Sea RR �� nDf : , y sea N�k . Se dice que f es de clase kC , lo que indicaremos con kCf � , si f posee derivadas, continuas todas, hasta el orden k sobre D. Notas. (a) DfCf D sobrecontinua 0 �� (b) Se dice que f es de clase �C si para todo k en f,N es de clase Ck. (c) Si f es una función polinómica ( racional) sobre un abierto D de nR entonces ��Cf 21 Ejemplo Sea � � � � � � � � yx yx yx x yxf ,0 ,, 2 Calcular � �2,1yxf , � �2,1xyf 22 Respuesta � � � �2 2 , yx xyx y f � � � � � � �3 2 2, yx xyyx yx f � �� � Así, � � 27 42,1 2 � �� � yx f Por otro lado, � � � �2 2 2, yx xyxyx x f � � � � � � �3 2 2, yx xyyx xy f � �� � Así, � � 27 42,1 2 � �� � xy f 23 Ejercicio. � � � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , 22 22 yx yx yx yxxy yxf Pruebe que � � 10,0 �xyf y � � 10,0 �yxf 24 Respuestas � � � � � � h fhff xx hxy 0,0,0lim0,0 0 � � Como, � �0,0xf = � � � � 00,00,lim 0 � � k fkf k Para � � � �0,0, �yx , � � � �� �222 4224 4, yx yyyxxyxfx � � � hhf x �,0 Luego, � � 10lim0,0 0 � � � h hf hxy 25 Por otro lado, � � � � � � h fhf f yy hyx 0,00, lim0,0 0 � � Como, � �0,0yf = � � � � 00,0,0lim 0 � � k fkf k Para � � � �0,0, �yx , � � � �� �222 4224 4, yx xyyxxyxf y � � � hhf y �0, Luego, � � 10lim0,0 0 � � � h hf hxy 26 Teorema de Schwarz. Si RR �� nDf : es tal que en una vecindad de un punto P de D, ix f � � , jx f � � , ji xx f �� � 2 y ij xx f �� � 2 existen y son continuas, entonces se verifica: )()( 22 P xx fP xx f ijji �� � �� � � . 27 Derivadas parcial de una función vectorial Definicion: Sea mnDf RR ��: , D abierto, DP �0 . Se define la derivada parcial de f con respecto ix en 0P , lo que se denota )( 0 i P x f � � , mediante )( 0 i P x f � � = h PfehPf i h )()ˆ(lim 00 0 � Nota: Observar que mnDf RR ��: , luego )( 0 i P x f � � = � � � � � ��� � � �� � � � � � � � � 00 2 0 1 ,,, P x fP x fP x f i m ii � 28 Ejemplo. a) Sea f la función vectorial definida por � � � � � � � � � yx xy yx yxyxf 2 2 ,, , 0,0 2 � � yxyx Calcular � �yx x f , � � y � �yx y f , � � b) Sea f la funciónvectorial definida por � � � � � � � � � yz yx xyyxzyxf 22 2 ,,,, , 02 � yx Calcular � �yx x f , � � , � �yx y f , � � y � �yx z f , � � 29 Diferencial de una Función en nR Definición: Sea mnDf RR ��: , D un abierto, y DP0 � . Se dice que f es diferenciable en 0P si existe una aplicación lineal mnL RR �: tale que: �� � � h hLPfhPf nh h )()()(lim 00 0 R . 30 Ejemplo. Pruebe que la función f definida por � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , 22 2 yx yx yx xy yxf Es diferenciable en � �0,0 y que � � ��yxL , 31 Notas i. (Unicidad) La aplicación L de la definición anterior, si existe, es única. Se denomina Diferencial de f en 0P y se denota con fdP0 . Ejemplos. 1. La función f definida por � � kxf � , con mk R� , es diferenciable en cada nP R�0 y ��fd P0 2. Si � �mng RR ,L� entonces g es diferenciable en cada nP R�0 y ggdP �0 . 32 ii. Si mnDf RR ��: es diferenciable en 0x , entonces f tiene una buena aproximación afín B en vecindades V de 0x , dada por: )(..................)()()()( 000 � � xxxdfxfxB Nota. Para una función RR ��: 2Af diferenciable en P0 el gráfico de la buena aproximación afín de f en P0 corresponde al plano tangente a la superficie de ecuación ),( yxfz � en ))(,( 00 PfP . 33 Teorema: Si mnDf RR ��: es diferenciable en P0, entonces f es continúa en P0. Obs: 1. f es diferenciable f� continua. 2. f no continua f� no diferenciable. 3. f continua f�� diferenciable. 34 Ejemplo. La función f definida por � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , 22 yx yx yx xy yxf No es continua en � �0,0 , luego no es diferenciable allí. 35 Teorema. Sea mnDf RR ��: , D abierto, Dx �0 .Si f es diferenciable en 0x entonces las derivadas parciales )( 0 i x x f � � existen para cada � ni ,,1 �� y se verifica: � �ix efdxx f 0 )( 0 i � � � Donde � neee ˆ,,ˆ,ˆ 11 � base canónica de nR . 36 Notas: 1. El reciproco del teorema es falso. Ejemplo. � � � � � �;0,0,,, 22 � � yx yx xyyxf � � 00,0 �f 2. Si )( 0 i x x f � � no existe para algún i, � ni ,,2,1 �� , entonces f no es diferenciable en 0x Ejemplo. � � � � � �0,0,,, 22 2/3 � � yx yx xyxf ; � � 00,0 �f es continua en � �0,0 y )0,0( x f � � no existe. Luego, f no es diferenciable en � �0,0 . 37 Matriz Jacobiana. Def. Sea mnDf RR ��: diferenciable en un punto P0 de D. Se llama Matriz Jacobiana de f en P0, a la matriz de la aplicación lineal mnP fd RR �:0 , con respecto a las bases canónicas de nR y mR . A la matriz Jacobiana de f en P0 la indicaremos con J� �0, Pf 38 Nota: Como para cada � ni ,,2,1 �� se verifica: � �iP efdPx f 0 )( 0 i � � � entonces la matriz ! "fdP0 de la aplicación lineal fdP0 esta dada por J� �0, Pf = �� � � � � � � � � �� � � � � � � � � )()( )( )()()( 0 n 0 1 0 1 2 0 n 1 0 2 1 0 1 1 P x fP x f P x f P x fP x fP x f mm � � � � � � � � � � � � � ��� �� � 39 Observación. 1. Si f es diferenciable en 0x , entonces � � � �xxfJxfdx 0,0 � 2. Si � � �� � � h hxfJxfhxf nh h )(,)()(lim 000 0 R , entonces f no es diferenciable en 0x 40 Ejemplo. Sea � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , 22 32 yx yx yx yx yxf Estudie la diferenciabilidad f en � �0,0 . 41 Ejercicio. 1. Sea � � � � � � � � �� � � � � � � yx yx yx yx yxf ,0 ,1sin , 2 a) Calcule, si existen, )0,0( x f � � y )0,0( y f � � . b) ¿Es f diferenciable en )0,0( ?. c) ¿ Es f continua en )0,0( ?. d) ¿ x f � � y y f � � son continuas en )0,0( ? 42 2. Sea � � � � � � � � � � � � yx yx yxx yxx yxf ,0 , , 22 2 a) ¿Es f continua en � �0,0 ? b) Calcule, si existen, )0,0( x f � � y )0,0( y f � � . c) ¿Es f diferenciable en )0,0( ? d) ¿ x f � � y y f � � son continuas en )0,0( ? e) Calcule � �0,0 2 xy f �� � y � �0,0 2 yx f �� � . 43 3. Sea � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , 42 2 yx yx yx xy yxf a) ¿Es f continua en � �0,0 ? b) Calcule, si existen, )0,0( x f � � y )0,0( y f � � . c) ¿Es f diferenciable en )0,0( ? d) ¿ x f � � y y f � � son continuas en )0,0( ? e) Calcule � �0,0 2 xy f �� � y � �0,0 2 yx f �� � . 44 Sea � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,,0 0,0,, , yx yx yx xy yxf f) ¿Es f continua en � �0,0 ? g) Calcule, si existen, )0,0( x f � � y )0,0( y f � � . h) ¿Es f diferenciable en )0,0( ? i) ¿ x f � � y y f � � son continuas en )0,0( ? j) Calcule � �0,0 2 xy f �� � y � �0,0 2 yx f �� � . 45 Definición. Sea mnDf RR ��: , DH � . Diremos que f es diferenciable en H si es diferenciable en cada Hx �0 . Teorema. Sea mnDf RR ��: , DH � , y � �mffff ,,, 21 �� . Si cada una de las derivadas parciales j i x f � � , � nj ,,2,1 �� e � mi ,,2,1 �� , son continuas sobre el abierto H entonces f es diferenciable en H. Notas a) fCf H �� 1 diferenciable en H b) Reciproco no es válido 46 Ejemplo. Si RR �� 2: Df , � � � �221, yxyxf � con 1: 22 # yxD , entonces f es diferenciable en D Teorema. . Sea mnDf RR ��: , Dx �0 , y � �mffff ,,, 21 �� . Entonces: f diferenciable en 0x � cada jf es diferenciable en 0x Ejemplo: Sea � � � � � � � � �� � � � � � � 0,,0 0,,1sin , 22 22 xyx xyx x x yxf ; Determine todos los puntos en 2R donde f es diferenciable. 47 Gradiente y derivada direccional Def. (Gradiente) Sea RR �� nDf : , D abierto, diferenciable en D. Se define la función gradiente de f en D, f$ , como la función vectorial: nDf R�$ : , � � � � � � � ��� � � �� � � � � � � � � �$ x x fx x fx x fxf n ,,, 21 � Ejemplo: Para � � 222,, zyyxzyxf � y � �1,2,10 �P calcular � �0Pf$ . 48 Observación. a) Por notación, )(xfgrad = � �� �xf$ b) f diferenciable en 0x � � � � � hxfhfd x %$� 00 . Propiedades Sea RR �� nDgf :, , D abierto, diferenciable en D. Entonces, Dx�& a) � �� � � �� � � �� �xgxfxgf $ $� $ ''' b) � �� � � � � �� � � � � �� �xgxfxfxgxgf $ $�$ 0 c) � � � � � �� � � � � �� �� � � � 20 ][ xg xfxfxfxgx g f $ $ �� � � � � �$ 49 Teorema. Sea RR �� nDf : , D abierto. Si f es diferenciable en Dx �0 , entonces � �0ˆ x u f � � existe para cada dirección û en nR , y verifica: � �0ˆ x u f � � = � �� � uxf ˆ0 %$ Ejemplo. Si � � � � � � � � � � � � � � � � 0,0,'0 0,0,,2 , 22 yx yx yx xy yxf Calcular � �0ˆ x u f � � en la dirección � � � � � �� 2 2, 2 2û en los puntos (1, 1) y (0,0) 50 Teorema: Sea RR �� nDf : , D abierto y supongamos además que f es diferenciable en Dx �0 , entonces la derivada direccional � �0ˆ x u f � � es máxima en la dirección del vector gradiente � �0xf$ , y se verifica � � � �0 max 0ˆ xfx u f $� � � , con � � � �0 0ˆ xf xfu $ $ � . 51 Ejemplo. Si � � zxxyzyxzyxf � 222,, , � �1,2,10 �P a) Calcule � �0ˆ P u f � � , � �0,1,1 �u� b) ¿En que dirección es máxima la derivada direccional de f en 0P ? 52 Regla la Cadena Teorema:(Regla de la cadena o diferencial de la función compuesta). Sean mnGg RR ��: es diferenciable en Gx �0 pmHf RR ��: es diferenciable en )( 0xg , entonces: pngf RR �:� es diferenciable en 0x y se verifica: gdfdgfd xxgx 000 )()( �� � 53 Nota. Bajo las condiciones de hipótesis del teorema J� �0, xgf � = J � �� �0, xgf J� �0, xg Así, si hacemos h = gf � , � �xgy � , �� � � � � � � � � �� � � � � � � � � )()( )( )()( 0 n 0 1 0 1 2 0 n 1 0 1 1 x x h x x h x x h x x hx x h pp � � � � � � � � � � � ��� � � = � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � p pp m y f y f y f y f � ��� � 1 1 1 1 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � n mm n g g x g x g x g � ��� � 1 1 1 1 54 Casos Particulares: (a) Si � �yxfw ,�define una función diferenciable, y supongamos que x e y son funciones diferenciables de la variable real t, entonces w es una función diferenciable de t y se verifica : dt dy y f dt dx x f dt dw � � � � � Ejemplo: Si xyw � , donde tx cos� , ty sin� . ¿Cuál es el valor de la derivada � �2/�w( ? Observaciones. Si � �zyxfw ,,� , en donde x , y, z son funciones diferenciables de la variable real t, entonces w es una función diferenciable de t y se verifica : dt dz z f dt dy y f dt dx x f dt dw � � � � � � � 55 (b) Si � �zyxfw ,,� define una función diferenciable, y supongamos que x, y, z son funciones diferenciables de las variables r, s, entonces w es una diferenciable de r, s, y se verifica : r z z f r y y f dr x x f r w � � � � � � � � � � � � � � s z z f s y y f ds x x f s w � � � � � � � � � � � � � � Ejemplo Sea 22 zyxw � , donde s rx � , sry ln2 � , rz 2� . Calcular r w � � y sr w �� � 2 56 Ejercicios 1.Sabiendo que 22 yxw � , srx � , sry � Calcular r w � � y s w � � . 2. Sea RR �:f una función derivable y suponga que � � � � � � � xy yxfxyz Pruebe que � �zyx y zy x zx � � � � � 22 57 3. Sea � �yxfh ,� , donde � � � � 0,, � yxfyxf yyxx y �cosrx � , �sinry � Pruebe que 011 2 � ��hr h r h rrr 4. Sea � �xfw � y suponga que � �srgx ,� . Pruebe que r x dx df r w � � � � � y s x dx df s w � � � � � ____________________
Compartir